“石墨烯的優(yōu)異性能源于其完美的結構,一旦結構遭到破壞,哪怕是非常小的破壞,也會導致其各項性能大幅下降。因此,有缺陷的石墨烯很難用于制備晶體管等高端精密產(chǎn)品。但如“粗布破絮”般不完美的石墨烯在去污環(huán)保、凈化環(huán)境等方面,卻蘊含著極大的潛力。
　不再擔憂石油泄漏
　提及2010年美國墨西哥灣原油泄漏事件,恐怕現(xiàn)在還令人心有余悸。當時讓人頭疼又無奈的是,海水油污清除作業(yè)效果不佳,遏制不了漏油對海洋生態(tài)造成的危害。
　兩年后,國際著名期刊《先進材料》和《先進功能材料》先后報道了一種具有超高效吸附特性的石墨烯基吸附材料。該材料可用于清理海上原油泄漏、化學品污染,所吸附污染物最高可達其自身質(zhì)量的800多倍,并且可循環(huán)使用20多次。美國在線等媒體認為,這種石墨烯海綿結構有可能成為石墨烯的第一種產(chǎn)業(yè)化應用,在化工和環(huán)保方面具有巨大應用前景。
　研究帶頭人、東南大學—FEI納皮米示范中心主任孫立濤教授表示,他們專門使用破絮般的石墨烯材料做成多孔的海綿狀結構,通過多種方法實現(xiàn)其微觀結構的調(diào)控,以此來優(yōu)化石墨烯海綿的吸附性能和力學性能。經(jīng)研究,他們首次發(fā)現(xiàn)石墨烯海綿具有超高效吸附特性,并將其不吸水卻可以吸附油等有機物的特性,成功用于快速清除海上漏油,實現(xiàn)了油水高效分離。另外,將石墨烯與商用海綿牢固結合,可得到具有較強機械強度的石墨烯基復合海綿。該海綿與負壓系統(tǒng)結合,可實現(xiàn)連續(xù)油水分離,大大提高分離效率,降低使用成本。
　由殘缺石墨烯片組裝而成的石墨烯海綿容納空間大,孔隙率高,整個海綿里石墨烯材料只占不到1%的體積,而且可以回收利用。為進一步降低材料成本,他們還以廢棉花或廢紙作為前軀體,制備出了碳氣凝膠。經(jīng)測試,其對各種有機液體的吸附及循環(huán)使用效果都不錯,并已實現(xiàn)試生產(chǎn)。
　讓海水快速變淡水
　石墨烯以獨特的力學和電學特性被稱為“神奇材料”,但其與水的相互作用卻讓人困惑:石墨烯表面排斥水,但浸入到水中的石墨烯薄膜毛細通道,卻允許水快速滲透。石墨烯與水之間的這種“若即若離”的關系令科學家著迷。
　英國曼徹斯特大學與中國科學技術大學的研究團隊合作,用理論分析和分子模擬的方法探尋其中機理,發(fā)現(xiàn)水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸后,可形成約0.9納米寬的通道,小于這一尺寸的離子或分子可以快速通過,而“大個頭”則被完全阻隔在外。該篩選效應不僅對離子尺寸要求非常精準,而且比傳統(tǒng)的濃度擴散快上千倍。這一發(fā)現(xiàn)合理解釋了實驗結果,也被稱為“離子海綿效應”。
　用計算機模擬石墨烯納米通道快速過濾離子的過程發(fā)現(xiàn),石墨烯與離子之間的相互作用,使離子在納米通道中聚集,從而促進了離子的快速擴散。如果通過機械手段進一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細通道尺寸,控制孔徑大小,將能高效過濾海水中的鹽分。這意味著,制造一個幾分鐘內(nèi)將一杯海水淡化成飲用水的過濾裝置有望成為現(xiàn)實。
　國際權威學術期刊《科學》刊登了這項研究成果,并在評述中認為,氧化石墨烯薄膜在眾多分離應用中具有重要意義,比如,實現(xiàn)海水的快速淡化與凈化。利用這一特性,未來人類讓大海變成巨大淡水庫或許不再是天方夜譚。
　有望成為除霾利器
　目前,在一些防霧霾口罩和空氣凈化器中起關鍵作用的濾料,大多依靠靜電原理吸附PM2.5。但遇到水汽或口鼻中呼出的霧氣時,這些靜電作用就會減弱甚至消失,從而降低了阻滯PM2.5的效果,使得這些濾料失效。
　石墨烯具有超高的比表面積和優(yōu)異的化學穩(wěn)定性,在空氣凈化上具有極大潛力。傳統(tǒng)的濾材很難通過現(xiàn)有工藝制備出超小的孔徑。孫立濤介紹,他的研究團隊將氧化石墨烯與傳統(tǒng)濾材結合,首次成功制備出了能高效除霾的氧化石墨烯基濾材。由于該濾材對PM2.5的去除純屬物理阻隔,因此不受水汽影響,具有長期的穩(wěn)定性。
　另外,有缺陷的石墨烯骨架很薄且存在大量孔洞,因此,由其組裝而成的多孔濾膜,內(nèi)部孔道交錯縱橫,這樣可以保證濾材在孔徑大于2.5微米時,依然能有效地截留PM2.5,同時保證了濾材較低的呼吸阻力,解決了多數(shù)防霧霾口罩呼吸不暢的問題。
　有缺陷的石墨烯并不完美,而科研人員卻挖掘出它內(nèi)在的潛質(zhì),使實現(xiàn)其華麗轉身,在環(huán)保除污、凈化環(huán)境方面大顯身手。